尹鵬飛， 陳 軍， 楊薈楠， 劉麗麗， 蔡小舒

（上海理工大學 能源與動力工程學院，上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，上海200093）

燃氣輪機的潤滑系統(tǒng)使用大量油泵，油泵工作 在高溫環(huán)境下，產(chǎn)生的油霧直接排放會造成嚴重的環(huán)境污染.為了避免油霧的直接排放，在油泵中廣泛使用油霧過濾器來減少油霧排放，同時將收集到的機油回收到油泵，提高機油的利用率.油霧過濾器的過濾效率可高達99%以上，只有細微顆?？梢酝ㄟ^，達到了減少油霧排放的目的.在使用油霧過濾器前，需要對其過濾效率進行測試并評估是否滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求，在線測量過濾后油霧顆粒的體積分數(shù)對過濾器效率測試尤為重要.

工業(yè)應(yīng)用中，在線測量顆粒物相關(guān)特性有助于得到實時準確的信息，如對高分子聚合過程的測量和監(jiān)控［1］、發(fā)動機中柴油顆粒粒徑分布特性的研究［2］、大型火力發(fā)電廠和核電廠中蒸汽濕度和水滴直徑的測量［3］以及煙塵排放濃度的監(jiān)測［4－5］等.顆粒物粒徑測量的各種方法中，光散射法具有測量速度快、自動化程度高且測量粒徑范圍寬等優(yōu)點，常分為衍射法、全散射法、角散射法和動態(tài)光散射法等.目前，基于光散射法可以離線測量油霧顆粒的粒徑［6］，其中消光法（又稱全散射法）適用于粒徑范圍數(shù)十納米～10μm 左右油霧顆粒粒徑的測量.另外，由于消光法使用了寬帶光源，可以充分利用多波長光譜信息，當多波長的白光通過氣液兩相流時，消光特性與顆粒的大小和體積分數(shù)有關(guān)，因此可以同時測量顆粒體積分數(shù)和粒徑［7－8］.此方法相比角散射法具有設(shè)備簡單、成本低和在線測量快速的優(yōu)點［7］.筆者提出了長光程消光法，其特點為在測量區(qū)域光路多次折返以延長光程，適用于低體積分數(shù)細微顆粒的在線測量.

1 消光法

消光法基于朗伯－比耳定律［9］，其原理圖如圖1所示.

圖1 消光法的原理圖Fig.1 Principle of the light extinction method

式中：I和I0分別為有顆粒時檢測到的光強度和無顆粒時檢測到的光強度；λ為波長；r為粒徑；L 為測量區(qū)域的寬度，即光程；Cext為吸收截面積；N（r）為粒徑分布.

測量消光光譜后，令光譜儀的隨機誤差T（λ）＝I／I0，則由式（2）可反演計算得到粒徑分布［10－12］：

應(yīng)用消光法測量顆粒物體積分數(shù)及粒徑時，透光率需滿足測量要求［13］.

2 實驗裝置及實驗方法

2.1 油霧發(fā)生器模擬裝置

圖2所示為油霧發(fā)生器模擬裝置，用于測試油霧過濾器的過濾效率.該裝置使用水浴隔離加熱，確保油霧發(fā)生器內(nèi)部溫度在一段時間內(nèi)保持穩(wěn)定；壓縮空氣的體積流量為100L／min，在壓縮空氣入口處使 用 在 線 過 濾 器（Parker Balston 100－12－DQ 濾芯）去除空氣中的細微顆粒物；通過加熱產(chǎn)生油霧，油霧隨氣流排出，經(jīng)過凈化室時，油霧先通過濾網(wǎng)，再進入濾芯，部分油霧顆粒被阻攔下來，細小的油霧顆粒通過濾芯后被吹出.經(jīng)過凈化室的油霧顆粒體積分數(shù)設(shè)計值低于3.47×10－7，過濾后油霧顆粒體積分數(shù)更低，粒徑更小.

圖2 油霧發(fā)生器模擬裝置（帶濾芯）Fig.2 Simulation oil mist generator with filter

2.2 光譜測量

由于油霧過濾器出口處油霧顆粒體積分數(shù)低、粒徑小，準確測量難度較大，因此提出一種新型的多次折返的光路系統(tǒng)，可顯著延長測量光程，降低體積分數(shù)測量的下限.設(shè)計的測量系統(tǒng)包含多個折返光路，以實現(xiàn)體積分數(shù)為1.16×10－9的超細油霧顆粒粒徑的測量.圖3為實驗系統(tǒng)示意圖.測量過程中，寬帶光源的光（LekuosSM5－HE）通過光纖和透鏡耦合進入測試區(qū)域（由2 片反射率為90%以上的鍍Ag平面鏡組成的規(guī)格為140mm×90mm×50mm的長方體），光路經(jīng)過多次折返，光程增加，對衰減光產(chǎn)生放大作用，光譜儀（OCEAN OPTICS STSVIS）記錄原始光和衰減光的強度，將原始信號和衰減信號輸入計算機，最終通過消光光譜的數(shù)據(jù)反演計算出油霧顆粒的粒徑和體積分數(shù).

圖3 實驗裝置和測量系統(tǒng)圖Fig.3 Schematic diagram of the experimental setup and measurement system

2.3 測量區(qū)域光程標定

由于事先并不確切地知道光在平面鏡之間傳播多少光程，因此為了反演計算出油霧顆粒的體積分數(shù)，需要標定光程.筆者提出了新的光程標定方法，如式（3）所示.計算光程L 時需要一種已知質(zhì)量濃度和吸收截面積的氣體，本實驗使用已知質(zhì)量濃度的NO2進行標定.NO2在近紫外光到可見光波段有廣泛的吸收度，可以通過測量吸收度獲得光程.

式中：α為NO2的吸收度，可由光譜儀測得；σ（λ）為NO2在測試條件下的吸收截面積；ρ 為標準氣體質(zhì)量濃度.

標定實驗采用來自標準氣瓶的NO2，質(zhì)量濃度為761.5mg／m3.如圖4所示，虛線為光譜儀測得的450～650nm 波段上NO2的吸收度，實線為吸收截面、標稱質(zhì)量濃度及光程三者的乘積，即計算吸收度.2條曲線的吻合度較好，經(jīng)計算可知當前光程為2 000mm.

根據(jù)式（3）進行光程標定時產(chǎn)生的誤差可由誤差傳遞函數(shù)進行分析，出廠時給出了ρ 的誤差為1%，σ（λ）的誤差為5%［14］，T（λ）的誤差是光譜儀的隨機誤差，為1%.由此可計算得到光程L 的誤差為5.2%.

圖4 NO2 的測量吸收度和計算吸收度Fig.4 Measured and calculated absorbance of NO2

2.4 測量裝置粒徑測試

由于油霧顆粒的粒徑分布是由消光光譜數(shù)據(jù)反演計算得到的，因此需要在實驗前使用已知粒徑的標準粒子（聚苯乙烯微球）進行油霧發(fā)生器粒徑的測試.鑒于油霧顆粒的粒徑主要處于亞微米區(qū)，因此實驗中使用粒徑為960nm 的標準顆粒進行測試，測試曲線如圖5所示.測試所得的平均粒徑和誤差見表1，其中D32為索太爾平均直徑，D50為中位徑.粒徑測量誤差在5%以內(nèi).

圖5 測量960nm 標準顆粒的原始光強和吸收光強Fig.5 Intensity of original light and emerging beam for 960nm standard particles

表1 960nm 標準顆粒的測量結(jié)果Tab.1 Measurement results for 960nm standard particles

3 實驗結(jié)果及分析

實驗中，從水浴加熱使油溫達到53 ℃開始，根據(jù)53 ℃、60 ℃、65 ℃、70 ℃和75 ℃5個 不 同 的 溫度分為5個工況，每個工況包括過濾前和過濾后2組測量數(shù)據(jù)，每組10個測量樣本.過濾前數(shù)據(jù)的測量過程為：油霧發(fā)生器產(chǎn)生的油霧顆?；旌现諝庖来谓?jīng)過清潔室和多次折返光路測量區(qū)域，并在長光程測量區(qū)域記錄光強度信號數(shù)據(jù)，混合氣體最后排出.過濾后數(shù)據(jù)的測量過程為：油霧發(fā)生器產(chǎn)生的油霧顆?；旌现諝庖来谓?jīng)過清潔室、濾芯和長光程測量區(qū)域，并在長光程測量區(qū)域記錄光強度信號數(shù)據(jù)，混合氣體最后排出.測量過程按照53 ℃、60℃、65 ℃、70 ℃和75 ℃依 次 完 成.整 理 數(shù) 據(jù) 得 到 不同工況下油霧顆粒的平均粒徑和體積分數(shù)，如表2所示.

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可得過濾前油霧顆粒的平均粒徑和體積分數(shù)隨溫度的變化，如圖6 所示.由圖6 可知，油溫由53℃升高到75℃時，油霧顆粒的平均粒徑由1.946 0μm 減小到0.439 4μm，表明油溫越高，油霧顆粒的平均粒徑越小.這是由于油溫升高使得潤滑油的內(nèi)聚力變小，油霧顆粒易霧化成較小粒徑的油滴.油霧顆粒的體積分數(shù)由1.434×10－7增大到3.388×10－7，按照32號機油密度為865kg／m3進行折算，其質(zhì)量濃度約從124.041 mg／m3增加到293.062mg／m3.

表2 不同溫度下油霧顆粒的平均粒徑和體積分數(shù)Tab.2 Particle size and volume fraction of oil mist at different temperatures

圖6 過濾前油霧顆粒的平均粒徑和體積分數(shù)隨溫度的變化Fig.6 Variation of oil particle size and concentration with temperature（before filtering）

過濾后油霧顆粒的平均粒徑和體積分數(shù)隨溫度的變化如圖7所示.由圖7可知，油溫由53 ℃升高到75 ℃時，油霧顆粒的平均粒徑由0.291 7μm 減小到0.265 0μm，由于濾芯的存在，過濾后油霧顆粒的平均粒徑變化不大.油霧顆粒的體積分數(shù)由1.078×10－8增加到1.871×10－8.按照32 號機油密度為865kg／m3進行折算，其質(zhì)量濃度約從9.325 mg／m3增加到16.184mg／m3.

圖7 過濾后油霧顆粒的平均粒徑和體積分數(shù)隨溫度的變化Fig.7 Variation of oil particle size and concentration with temperature（after filtering）

表3 油霧過濾器的過濾效率隨溫度的變化Tab.3 Variation of filtration efficiency with temperature

油霧過濾器的過濾效率隨溫度的變化如表3所示.油溫由53 ℃升高到75 ℃時，過濾效率提高；油溫由60 ℃上升到65 ℃時，過濾效率提高較快；70℃之后過濾效率逐漸趨于穩(wěn)定.總體來看，升溫過程中，油霧過濾器的過濾效率基本穩(wěn)定，波動很小，可得其平均過濾效率為93.15%.

以53℃時的實驗數(shù)據(jù)為例分析過濾前、后油霧顆粒的粒徑分布情況，如圖8所示.由圖8（a）可知，過濾前油霧顆粒的粒徑分布比較分散，D32＝1.946 0μm，經(jīng)過濾后，由圖6 和圖7 可知，D32＝0.291 7μm，即粒徑較大的油霧顆粒大部分被過濾.過濾后油霧顆粒的粒徑分布非常集中，粒徑為0.15 μm、0.2μm、0.25μm、0.3μm 和0.35μm 的顆粒分別 占0.404%、5.27%、32.77%、59.16%和2.39%，其余粒徑的油霧顆粒不足1%.

圖8 過濾前和過濾后油霧顆粒粒徑分布Fig.8 Size distribution of oil mist particles before and after filtering

由表2可知，在5個不同溫度下，過濾前油霧顆粒的平均粒徑為1.19μm，質(zhì)量濃度為197mg／m3；過濾后油霧顆粒的平均粒徑為0.28μm，質(zhì)量濃度為12.9mg／m3.即過濾后，質(zhì)量濃度極大降低，平均粒徑顯著減小.

當前治理空氣中細微顆粒物PM2.5的形勢日益嚴峻，對直接排放油霧的新型高效過濾器性能的測試，包括其對溫度的適應(yīng)性能以及在不同溫度下濾芯的穩(wěn)定性測試，都直接關(guān)系到控制污染物排放的效果.

4 結(jié) 論

（1）所提出的長光程消光法測量裝置適用于測量細微顆粒（如油霧顆粒）的粒徑和體積分數(shù)，因此可以用于高效過濾器性能檢測及評估.

（2）實驗結(jié)果表明，油霧發(fā)生器模擬裝置生成的油霧顆粒粒徑大多小于2μm，質(zhì)量濃度小于300 mg／m3，可用于模擬污染物排放測試的運行環(huán)境.

（3）經(jīng)油霧過濾器過濾后油霧顆粒的平均粒徑小于0.5μm，由質(zhì)量濃度可得5個工況下的平均過濾效率為93.15%.

（4）該新型測量裝置通過延長光程能夠顯著增強顆粒物的消光效應(yīng)，可將該方法用于環(huán)境中顆粒物體積分數(shù)的檢測.

［1］ RAPHAEL M，ROHANI S.On－line estimation of solids concentrations and mean particle size using a turbidimetry method［J］.Powder Technology，1996，89（2）：157－163.

［2］ 樓狄明，任洪娟，譚丕強，等.發(fā)動機燃用乳化柴油的顆粒粒徑分布特性［J］.同濟大學學報（自然科學版），2012，40（7）：1083－1088.LOU Diming，REN Hongjuan，TAN Piqiang，et al.Charactertics of particle size distribution from a diesel engine with emulsified diesel［J］.Journal of Tongji University（Natural Science），2012，40（7）：1083－1088.

［3］ WANG N N，WEI J M，CAI X S，et al.Optical measurement of wet steam in turbines［J］.Jounal of Engineering for Gas Turbines and Power，1998，120（4）：867－871.

［4］ 王乃寧，尉士民.排放源顆粒物濃度及粒徑連續(xù)監(jiān)測技術(shù)的研究［J］.工程熱物理學報，1999，20（2）：238－241.WANG Naining，YU Shimin.A study on continuously monitoring mass concentration and size for particulate emission［J］.Journal of Engineering Thermophysics，1999，20（2）：238－241.

［5］ 施娟，蔡小舒，陳軍.汞氣質(zhì)量濃度在線測量標定方法研究［J］.動力工程學報，2014，34（1）：39－44.SHI Juan，CAI Xiaoshu，CHEN Jun.Study on calibration method for on－line measurement of mercury vapor［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2014，34（1）：39－44.

［6］ 王俸林.流經(jīng)縫隙的較大油霧顆粒行為實驗研究［D］.沈陽：東北大學，2010.

［7］ 蔡小舒，蘇明旭，沈建琪.顆粒粒度測量技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2010.

［8］ SU Mingxu，XU Feng，CAI Xiaoshu，et al.Optimization of regularization parameter of inversion in particle sizing using light extinction method［J］.China Particuology，2007，5（4）：295－299.

［9］ NOVICK V J.Use of series light extinction cells to determine aerosol number concentration［J］.Aerosol Science and Technology，1988，9（3）：251－262.

［10］ REN K F，GRéHAN G，GOUESBET G.Prediction of reverse radiation pressure by generalized Lorenz－Mie theory［J］.Applied Optics，1996，35（15）：2702－2710.

［11］ TWOMEY S.Introduction to the mathematics of inversion in remote sensing and indirect measurements［M］.New York，USA：Dover Publications，2002.

［12］ SCHNABLEGGER H，GLATTER O.Optical sizing of small colloidal particles：an optimized regularization technique［J］.Applied Optics，1991，30（33）：4889－4896.

［13］ 徐峰，蔡小舒，沈嘉祺.米氏理論的近似及在粒度測量中的應(yīng)用［J］.光學學報，2003，23（12）：1464－1469.XU Feng，CAI Xiaoshu，SHEN Jiaqi.Geometric approximation of light scattering in arbitrary diffraction regime for absorbing particles：in laser particle［J］.Acta Optica Sinica，2003，23（12）：1464－1469.

［14］ VOIGT S，ORPHAL J，BURROWS J P.The temperature and pressure dependence of the absorption cross－sections of NO2in the 250－800nm region measured by Fourier－transform spectroscopy［J］.Journal of Photochemistry and Photobiology A：Chemistry，2002，149（1／2／3）：1－7.